Шахтный интерферометр Советский патент 1992 года по МПК G01J9/02 G01N21/45 

Изобретение относится к оптнко-интер- фг-рет иопним измерениям, а именно для определения концентрации метана и углекислого газа о рудничном коздухс, и гложет быть использовано для измерения уровня за азопэнности воздуха при экологических исследованиях.

Известен интерферометр ИТР-1, состоящий изустановленных последовательно и оптически связанных источника света, коллиматора, диафрагмы, объектива, диафраг- с двумя щелями, двойной кюветы, помещенных в термокамеру и две пластины компенсатора, выходы которых через объектив и цилиндры имеют окуляр, глазной окуляр связаны с оыходом устройства.

Основным недостатком интерферометра ИТР-1 является то, что угол выхода интерферирующих лучей довольно большой, а величина применяемой щели для получения удовлетворительного контраста выбрана в 3-4 раза меньше критических размеров. Поэтому наблюдаемая интерференционная картина имеет очень низкую яркость полос.

В качестве прототипа выбран шахтный интерферометр ШИ-7, выполненный по схеме Жамена.

Известен шяхтный интерферометр ШИ- 7. содержащий установленные последовательно и оптически связанные источник излучения, светоделитсльный элемент, камеру, оиполпенкую и пиде двух герметичных полотей разного объема, размещенных одна в другой для эталонной и исследуемой 1азоеых смесей соответственно, уголковый отражатель, поворотное зеркало и измерительную систему.

Недостатками интерферометра ШИ-7 является низкая чувствительность, стабильность и точность измерения ввиду потери в оптических деталях части световой энергии, например, в диафрагмах, на границах раздела диэлектрических сред послух-стекло и стекло-воздух (в окнах газсвюх камер) при 8-кратном их пересечении при прохождении измерительного и опорного лучей через элементы оптической схемы,

Ширина полос равного наклона в прототипе зависит от угла наклона светоделитель- ной пластины.

Под действием вибрации и температуры

происходит изменение пространственной ориентации толстой светоделительной пластины и как следствие изменяется разность хода. Поэтому в интерферометрах Жамена расстояние между лучами ограничено. Значительное уменьшение интенсивностей выходных потоков затрудняет считывание результатов измерений и приводит к ошибкам, температурная деформация светоделительной пластины и окон газовых камер

влечет за собой дрейф нуля прибора.

Целью изобретения является повышение чувствительности, вибростойкости, стабильности, точности измерений и уменьшение температурной зависимости.

Поставленная цель достигается тем, что шахтный интерферометр содержащий установленные последовательно и оптически связанные источник излучения, светодели- тельный элемент, камеру, выполненную в

виде двух герметичных полостей разного объема, размещенных одна в другой для эталонной и исследуемой газовых смесей соответственно, уголковый отражатель, поворотное зеркало и измерительную систему, камера снабжена компенсирующей призмой и манометром, причем компенсирующая призма оптически связана с уголко- вым отражателем, светоделитель и компенсирующая призма закреплены с одкого торца камеры по ходу излучения, а уголковый отражатель закреплен с другого торца камеры, при этом манометр закреплен на камере и соединен с полостью для эталонной газовой смеси.

Кроме того, светоделитель выполнен в виде.призмы Кестерса.

На фиг. 1 представлена оптическая схема предлагаемого шахтного интерферометра; на фиг, 2 - схема шахтного интерферометра, изометрия.

Интерферометр содержит установленные последовательно и оптически связанiiue источник излучения, состоящий из ллзе- ра 1 и конденсатора 2, пхо/ .нос поворотное зеркало 3, светоде/шгрльный эпсмснт 4. камеру, выполненную из дпух гг рметичных полостей разного обьсма, размещенных одна ci другой, полость 5, предназначенную для эталонной гэзоной смеси, и полость 6 для исследуемой газовой смеси, уголковый отражатель 7, компенсирующую призму 8, поворотное зеркало 9 и измерительную систему, состоящую из объектива 10 и оку- ллра 11. фотоприемное устройство 12 и вычислительное устройство 13, причем компенсирующая призма 8 оптически связана с уголковым отражателем 7, светодели- тель 4 и компенсирующая призма 8 закреплены с одного торца камеры по ходу излучения, а уголковый отражатель 7 закреплен с другого торца камеры , при этом манометр 14 закреплен на камере и соеди- мен с полостью 5, предназначенной для эталонной газовой смеси, кроме того, све- тоделительный элемент 4 выполнен в виде призмы Кестерса.

Элементы оптической схемы (фиг. 2) ус- ловно смещены вдоль вертикальной оси рисунка для наглядной демонстрации хода лучей в предлагаемом устройстве.

Интерферометр работает следующим образом.

Источник излучения формирует пучок света с помощью лазера 1 и конденсатора 2 и после отражения на входном поворотном зеркале 3 попадает на вход призмы Кестерса 4. В этой призме происходит разделение светового пучка на два потока, параллельно выходящих из призмы Кестерса 4. Один луч с выхода призмы Кестерса 4 проходит только в полости, заполненной эталонной газовой смесью 5. а другой луч - только в полости, заполненной исследуемой газовой смесью 6. Оба луча, пройдя соответственно камеры 5 и б, отразившись от уголкового отражателя 7, далее снова через камеры 5 и б поступают на компенсирующую призму 8. После отражения от компенсирующей призмы 8 оба луча снова проходят камеры 5 и 6 и. отразившись от уголкового отражателя 7, через камеры 5 и б поступают после отражения от боковых граней призмы Кестерса 4 на ее светоделительную грань, где и происходит интерференция лучей. Затем интерференционный сигнал через поворотное зеркало 9. объективом 10 и окуляром 11 фокусируется на фотоприемное устройство 12 и далее на вычислительное устройство 13, где осуществляется визуально счет интерференционных полос.

Конструктивно камеры представляют собой объемы, например в цилиндр без дна

поместить стакан без дна, одинаковой I uco- ты. Эги обьемы закрепляются, например, путем склеивания с уголковым от рахате/;ем 7 с одной сторонм и призмой Кесте-рсз и компенсирующей призмой 8 (ВР- 180) с другой стороны (фиг. 1). Образовавшиеся полости 5 и О снабжены входными и выходными каналами с вентилями для связи с атмосферой. В полости 5, заполненной эталонной газовой смесью, имеется отверстие для присоединения тройника с манометром 14 на выходе, Свободный конец тройника с вентилем предназначен для впуска с полость 5 эталонной газовой смеси. Для уравновешивания температуры газовых смесей в полостях 5 и 6 полость с эталонной газовой смесью яаляется наружной. При этом расположении камер 5 и б эталонная газовая смесь лучше прогревается окружающим устройство атмосферным воздухом. Закачиваемая в камеру б исследуемая газовая смесь имеет температуру, близкую температуре эталонной газовой смеси:

Таким образом, если учитывать изменение давления в герметичной камере 5 с эталонной газовой смесью, то результаты проводимых измерений предлагаемым устройством зависят только от качества газового состава исследуемого атмосферного воздуха. Температурное повышение давления в ограниченном объеме может приводить к значительным погрешностям в определении качественных и количественных характеристик газового состава иссле- дуемого воздуха. Для учета изменений давления в камере 5 в процессе измерений в предлагаемом устройстве применен манометр 14. При использовании баллона со сжатым воздухом без примесей С02 и метана для первоначального запуска через редуктор в камеры 5 и 6 с эталонной и исследуемой газовыми смесями при одновременном сбросе счетчика прибора в исходное положение можно проводить автономную калибровку прибора. При такой автономной калибровке отпадает необходимость перед повторным измерением каждый раз подниматься на поверхность для забора в камеры чистого атмосферного воздуха.

Отсутствие окон з камерах 5 и 6 уменьшает потери излучения по сравнению с прототипом на величину, равною восьмикратным потерям на границах раздела газовая смесь - стекло и атмосферой Кпотерь 5%х8- 40% в каждой из камер. Лучи света проходят по каждой из камер 4 раза (фиг. 2). Это дает возможность повысить чувствительность измерений в 2 раза по сравнению с прототипом. Оптическая схема предлагаемого прибора посгросна ток, что изменения геометрических paj- мероп пойду температурных деформаций, приводящих к наклонам уголкопого отражателя, перемещение его рдоль продольной оси прибора и.сдвигом о плоскости, перпендикулярной продольной оси прибора, не влияет на результаты измерения, Компенсирующая призма 0 выполняет функцию зеркала, но отражение происходит со с мощением в плоскости, перпендикулярной продольной оси прибора на величину vT, где h - высота призмы ВР-180.

Таким пространственным разделением сходящих и ОЫУОДЯЩИХ о призме 8 лучей устраняется обратная связь элементов оптической схемы с входом лазера 1 и повы- шаегся точность измерения прибора за счет повышения однозначности определения длины волны лазера. При этом повышается контрастность интерференционной картины, а следовательно, и точность определения фазы интерференционного сигнала, юность счета .полос интерференции. Причем в предлагаемом приборе на фотоприем- иое устройство 12 поступает световой сигнал в виде с распределением интенсивности по закону Гаусса, а не полосо- ой интерференционный сигнал, что определяется выбором источника излучения, который очень сложно преобразовать о электрический сигнал из- за конечности минимальных размеров фотоприемника.

В результате температурных деформаций вызываемых местными нагревами оптических элементов может происходить рпзворот ориентации полос интерференционной картины, а это служит дополнительным источником погрешности в прототипе. Конструктивное решение оптической схемы с предлагаемом устройстве в значительной

море позволяет устранить коздсйстсие этого явления нз результаты измерения. И.ше- пение пространственной ориентации элементов схемы под воздействием пибрации и температуры в одинаковой мере влияет на ход лучей, проходящих в канале с эталонной и исследуемой газовыми смесями, и не приводит к угловым разъюстиров- кам интерферирующих лучей в

предлагаемом устройстве.

Предлагаемое устройство простое в сборке и после склейки не требует дополнительных юстировок.

Формула изобретения

1. Шахтный интерферометр, содержащий установленные последовательно и оптически связанные источник излучения, светоделительный элемент, камеру, выполненную в виде двух герметичных полостей

разного объема, размещенных одна в другой для эталонной и исследуемой газовых смесей соответственно, уголковый отражатель, поворотное зеркало и измерительную систему, отличающийся тем, что, с

целью повышения чувствительности, стабильности и точности измерений, камера снабжена компенсирующей призмой и манометром, причем компенсирующая призма оптически связана с уголковым отражателем, светоделитель и компенсирующая призма закреплены с одного торца камеры по ходу излучения, а уголковый отражатель закреплен с другого торца камеры, при этом манометр закреплен на камере и соединен

с полостью для эталонной газовой смеси.

2. Интерферометр по п. 1,отличаю- щ и и с я тем, что. с целью уменьшения температурной зависимости и повышения вибростойкости, светоделитель выполнен в

виде призмы Кестерсэ.

ь

Изобретение относится к оптико-электронным измерениям, предназначено для определения концентрации метана и углекислого газа в рудничном воздухе и может быть использовано для измерения уровня загазованности воздуха при экологических исследованиях. Цель изобретения - повышение чувствительности, стабильности и точности измерений. С этой целью в шахт